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1、硬岩地段盾构工程地质勘察的建议摘 要 随着地铁线路的延伸及建设力度的加大,穿越硬岩段的盾构隧道长度也日益增多。但从目前工程实践来看,盾构机在通过该段时施工进度及难度与预想有一定差距。从当前地质勘察现状及硬岩掘进机刀具设计原理出发,对硬岩段盾构工程地质勘察提出建议。关键词 盾构 硬岩 勘察 滚刀 盾构法隧道是利用盾构机连续进行开挖面支护、土方挖掘、管片拼装等循环步骤修建而成的隧道。和传统的矿山法隧道相比,具有自动化程度高、安全快速等优点,已被广泛地应用到城市地铁及其他市政工程中。盾构机刀具在盾构设计、施工中有十分重要意义。其直接关系到工程能否安全、按时、顺利地进行
2、。根据目前正在施工的广州及深圳地铁建设经验,随着城市轨道路网的延伸及建设力度的加大,盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层,同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要,也要考虑在硬岩中的要求。在刀具布置上一般认为刮刀适用于土层及部分软岩,盘形滚刀(图1c、1d)适用于硬岩,其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中,国外曾有在抗压强度超过200MPa岩石中应用的工程记录。但从目前国内施工中所遇到的单轴抗压强度为120MPa岩体所反映的情况来看,此段土压平衡盾构(图1a)即使采用了单刃滚刀,其效果与预想也有一定距离。土压平衡盾构虽然和硬岩掘进机(图1
3、b)在掘进方式、机械总体设计思路上有较大区别,但在硬岩段对刀具要求是类似的。本文从当前地质勘察现状及硬岩掘进机刀具设计原理出发,结合国外硬岩TBM工程勘察要求及试验项目,提出了硬岩地段地质勘察建议。图1 盾构机及其刀具段盾构工程的地质勘察,有其独特之处:1 盾构工程地质勘察特点(1)地质勘察报告不仅被设计部门使用(结构与其他土木工程相比,盾构工程,尤其是硬岩地设计),更重要的是要被工程承包商使用(盾构机选型及详细设计、工期筹划等)。(2)地质勘察报告中不仅包括常规力学实验,还需包括针对盾构工法的特殊实验。甚至不同的盾构机、刀具设计模型所要求的实验项目及程序有所不同
4、。(3)常规力学实验中有效数据的判别标准与常见土木工程不同。2 硬岩滚刀破岩原理2.1 硬岩滚刀破岩原理 硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤(图2):(1)挤压阶段:滚刀在高推力作用下,切入岩石表面(切入深度1～10/15mm,4取决于岩体强度),同时岩面产生局部变形及很高的接触应力。并在此应力作用下,刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区,即应力核心区(pressurecore)。此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。(2)起裂阶段:沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时,便产生张拉裂缝。该裂缝是滚刀能否破岩的先决条件。在应力核心区下层是应力过渡区
5、(transitionzone),该区为应力衰减区,对岩体裂缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝,由于其方向与破岩方向一致,因此也不能显著地提高破岩效率,但能加大下个循环中压入阶段应力范围。(3)破碎阶段:当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时,表面部分岩体便被裂缝分割,形成碎片并脱离开挖面。图2 硬岩滚刀破岩过程2.2 破岩影响参数分析从滚刀破岩全过程分析,有以下因素直接影响裂缝能否形成:1)岩石硬度:在刀具挤压阶段,必须保证刀具硬度要高于岩石硬度,才能切入岩石表面,形成必要深度的应力核心区。2)抗压强度:刀具切入岩石表面后,当应力大于岩石抗
6、压强度(单向应力条件)或抗压强度与地层主应力组合值(三向应力条件)时才能形成粉碎区,以保证裂缝产生位置具有一定深度。3)抗拉强度:是裂缝形成的力学原因。同时根据以往工程实践及试验数据,以下因素影响破岩效率:1)脆性/塑性:是对抗压强度、抗拉强度的综合评价,适用于抗压强度较大(小),而抗拉强度较小(大)岩石。有关文献资料显示在同样条件下,脆性岩体在挤压阶段所需时间远远小于塑性岩体(约八分之一)。2)耐磨性:本指标直接关系到盾构机掘进效率,是承包商进行刀具寿命及备品估算、工期筹划的主要依据。根据国外资料统计在耐磨性小的岩石中,更换刀具时间占总停工时间的3%,而在高耐磨
7、性岩石中有20%之多;以每掘进1米时间计算,耐磨性小的岩石为0.02～0.05hr/m,而高耐磨性岩石则可高达0.2hr/m。3 国内外TBM工程勘察由于国外TBM工程数量较多,硬岩强度及特性变化较大,同时在基础研究上投入较大,因此其水平远远高于国内。在目前条件下,对其设备、工艺及技术进行深入研究是减少差距的有效途径。3.1 国外TBM工程勘察要求及项目国外TBM工程勘察工作一般要为以下几个方面服务:(1)工程总体布置,包括线路及土建的设计优化;(2)围岩稳定性分析及衬砌支护要求;(3)不同开挖方式的比选、掘进设备的选择、施工进度、设备性能预测;(4)环境影响评估
8、及渣土的处
